地球化学复习题.doc

地球化学复习题一、名词解释1、地球化学：是研究地球及有关宇宙的化学组成、化学作用和化学演化的科学2、地球化学体系：按照地球化学的观点，通常将要研究的对象作为一个体系3、元素克拉克值：元素在地壳中的丰度4、元素丰度：元素在宇宙或较大的地球体系中的平均含量。5、相容元素：岩浆结晶或固相部分熔融过程中偏爱矿物相的微量元素6、不相容元素：岩浆结晶或固相部分熔融过程中偏爱熔体或溶液相的微量元素。 也称为亲岩浆元素7、元素的地球化学亲和性：元素形成阳离子能力和显示出的有选择性与某阴离子结合的特性；8、类质同象：某种物质在一定的外界条件下结晶时，晶体中的部分构造位置被介质中的其它质点（原子、离子、络离子、分子）所占据，结果只引起晶格常数的微小变化，而使晶体构造类型、化学键类型等保持不变（保持稳定）的现象。9、元素的赋存形式：元素在一定的自然过程或其演化的历史中的某个阶段所处的状态及与共生元素间的结合关系。10、干酪根：不能被有机溶剂萃取的不溶有机物。其含量占沉积岩中有机质的绝大部分（约90%以上）。11、生物标志化合物：又称分子化石、地球化学化石或指纹化石。指沉积物中的有机质以及原油、油页岩、煤中那些直接或间接来源于活的生物体的有机化合物。12、石油：是以液态形式存在于地下的碳氢化合物的混合物。13、天然气：广义：一切经自然过程生成的气体。狭义：指在沉积有机质演化过程中生成的可燃气体。14、煤：沉积作用期间及期后，由植物残体经过一系列的物理、化学和生物学变化而形成的，其中木质素、纤维素是成煤的主要组分。15、环境背景值：亦称环境本底值，是在未受或基本未受人为污染或者自然污染的情况下，岩石、土壤、水体、植物等环境要素中化学元素的平均含量。16、元素的存在状态：指元素的物理、化学相态和能量状态、价态、化合态和结构态等方面。元素的存在状态不同，其迁移行为和生物毒性不同。17、生物地球化学循环:是指生物圈中元素及其化合物从环境生物环境的迁移、转化过程。18、环境污染修复：指利用物理、化学、生物方法对土壤及水体中的重金属、有机污染进行治理，将有毒污染物转化为无毒物质，或减弱其毒性，从而减少污染物对生态系统和人体健康的负面影响。19、地方病：指在一定区域内流行的疾病，是指由于环境中某种或某些元素的不足或过量引起的生理失调。21、高场强元素和低场强元素，并各自举例出三种以上元素 高场强元素(high field strength elements-HFSE): 离子半径小的高电荷阳离子 (离子电位3.0)。 Zr， Hf， Nb， Ta， Th， U， Ti， REE。 低场强元素(low field strength elements-LHSE): 离子半径大的低电荷阳离子(离子电位20，请解释轻重稀土分异可能的原因。这一参数能较好地反映REE元素的分异程度以及指示部分熔融残留体和岩浆结晶矿物的特征25、根据放射性衰变规律，推导出放射性同位素等时线公式。解：据衰变理论，在任一时刻t不稳定母核的衰变速率正比于尚未衰变的原子数N，其衰变方程可表达为： dN/dt N （1）由t0到t求积分得： N N0 e-t （2）假定t0时，子体核数为0，则任一时刻母核产生的子核原子数（D*）可表示为D*N0N代入（2）式： D*N ( e-t1) 或 D*N0（1 et） （3）用D0表示t0时系统存在的子核原子数： D D0 D* （4）所以： D D0 N ( e-t1) （5）为方便测定，选取子体元素其它同位素（Ds）作为参照进行比值测定：D/Ds (D/Ds)0N/Ds ( e-t1) (6)（6）式即为放射性同位素等时线公式。26、 Rb-Sr等时线满足的条件是什么 1）所研究的一组样品（岩石或矿物）具有同时性和同源性；2）形成时Sr同位素组成在体系内是均一的，因而有着相同的87Sr/86Sr初始同位素比值；3）体系内化学成分不同，Rb/Sr比值有差异，可确保获得一条较好的等时线；4）自结晶以来，Rb、Sr保持封闭体系，没有与外界发生物质交换。四、论述题1、论述地球化学、化学、地球科学其他学科在研究目标和研究方法方面的异同？ 地球化学与与研究地球物质成分的矿物、岩石、矿床学和化学的关系如下表所示： 地球化学 研究对象 全部化学元素 与同位素 元素在地球、 地 壳中演化活动 的整个历史 地球、地壳 矿物学 原子的集合体 矿物 岩石学 矿物的集合体 岩石 矿床学 有用矿物的集合 体矿石、矿床 化学 元素及化合 物 元素及化合 物的化学性 质及行为 实验室 研究内容 研究对象所 处的空间位 置 只研究元素全部活动历史过程中的某个阶段，元素活动 的某个“暂时”存在的形式 地球、地壳 从表中我们可以看出： 1)地球化学是研究元素在地球、地壳中演化活动的整个历史，而矿物、岩石、矿床等学科仅研究元素全部活动历 中的某个阶段； 2)地球化学是在自然界，又具有空间上条件的不均一性，时间上单向演化和阶段性，体系的多组分，多变度及总 体的开放性； 3)地球化学研究不能脱离基础地质工作，它的一般工作程序仍然是 在研究任务的指导下采用先野外，后室内的 工作顺序，并注意从对地质体的观察来提取化学作用信息，建立地球化学研究构思。而化学主要是在实验室中，它 是人为控制的体系，可以任意调节 T、P、pH、Eh、C 和纯化杂质2、论述类质同象规律的意义。 1）.确定元素的共生组合以岩浆岩为例：Ni、Co、Cr等主要集中于超基性岩中, 这与超基性岩中Fe、Mg矿物大量析出有关；酸性岩中Li、Be、Rb、Cs、Tl、Ba、Y、W、Sn、Pb等的高含量往往与K、Na、Si矿物的富集有关；各类岩浆岩中微量元素含量高低及其变化实际上反映了元素间的结合规律；微量和主量元素的组合及微量元素对主量元素的依赖，主要受类质同象规律制约； 2.）决定元素在共生矿物之间的分配元素在同一岩石各组成矿物间的分配往往是极不均匀的，这种不均匀分配受结晶化学和热力学多方面因素的控制，可以归纳为主要受类质同象规律和分配定律的控制。3.） 支配微量元素在交代过程中的行为 热液作用下岩石常发生交代变质。交代变质过程中系统是开放的，有元素迁出和带入；在主量元素发生迁移的同时，与主量元素发生类质同象置换的微量元素也会发生相似的迁移活动；如钾长石交代岩石中的钠长石时，Sr2+会随着Na+而迁出进入溶液， 而Rb+则随着K+一起进入钾长石中；4.） 类质同象元素比值可作为地质作用过程和地质体成因的标志黄铁矿中常有Co、Ni等元素呈类质同象混入； 在内生和外生条件下生成的黄铁矿中Co、Ni含量不同。黄铁矿Co/Ni比值可以确定矿床的成因。5.） 标型元素组合矿物中含有大量类质同象的“杂质”，但同一种矿物在特定成因下往往只富含某些特征类质同象元素组合，据此可推断矿物形成环境。 将有成因意义的元素组合称为指纹元素组合，也称为标型元素组合。6. ） 影响微量元素的集中或分散 以Be矿化为例分析类质同象是如何影响微量元素集中和分散的；地质事实： Be的质量分数-碱性岩中Be为(710-6)- (910-6)，酸性花岗岩中为(310-6)-(510-6)。 酸性花岗岩中相对较低，但是自然界极少见到与碱性岩有关的Be矿床, 却在某些与酸性花岗岩有关的伟晶岩脉中发现Be矿床, Be以形成绿柱石(Be3Al2Si6O18)形式富集。7.） 分配系数与地质温度计微量元素在晶体中的分配系数(distribution coefficients)可用于估计共存矿物形成的温度，称为地质温度计-geothermometers。8. ）环境地球化学效应19世纪末的欧洲，有人在废弃的铅锌矿山附近居住，数年后这些人得了一种怪病，浑身骨骼疼痛难忍，后来，病人的手脚稍用力或略一弯腰就会导致骨骼断裂，最后只能在痛苦中死去。对此许多名医都未能查出病因，后来还是法医发现病人破碎的骨骼中镉(Cd)含量异常高。 这种病后来被定名为“骨痛病”4、 论述石油和天然气形成的一般过程。石油和天然气是沉积有机质热演化过程的阶段性产物。演化过程可分为三个阶段：（1）成岩作用阶段：温度、压力低，促使有机质演化的主要营力是生物作用。沉积物中的有机质：被微生物的新陈代谢所利用，转化为微生物的细胞，经缩合作用形成干酪根（生油母质）（2）深成热解作用阶段；（3）变质作用阶段。5、 论述人类对生物地球化学循环的干扰作用？并举例说明。 人类对碳循环的干扰： （1）森林的过度砍伐造成植被覆盖率低，植被对大气中CO2的吸收量减少； （2）能源燃料的燃烧会向大气排放大量CO2。人类对氮循环的干扰： （1）任何的燃烧活动均能产生大量NO，经一些列化学作用形成酸雨，破坏农作物、树木，使生态系统产生紊乱； （2）NO3-等反硝化作用和矿物燃料不完全燃烧产生的NO2、NO等进入大气，不仅能与碳氢化合物形成光化学烟雾，而且还破坏臭氧层，紫外线增加；NO2也是一种温室气体； （3）氮肥需求量增加，促使合成氨工业从大气中消耗更多N2，或促使开采更多的含氮矿物原料（如煤等） （4）含有大量氮的农田排水和城镇生活污水造成水体污染和富营养化。人类活动对磷循环的干扰： （1）磷肥的大量使用，造成农田水含磷量增高；生活污水和某些工业废水中含有较高的磷，进入湖泊和海洋后将造成富营养化和海洋赤潮； （2）由陆地进入海洋的磷，只能部分返回陆地，从未造成陆地磷的减少，为了保证工农业生产，只能大量开采磷矿石，进一步加快陆地磷的循环。人类活动对硫循环的干扰： （1）含硫煤和石油燃烧产生的SO2约占人类活动向大气排放的SO2总量的2/3； （2）石油的炼制、硫化物矿石的冶炼等排放的废气中也含有大量SO2，进入大气后不仅对动植物产生危害，同时经氧化形成酸雨后，会对土壤和植被产生大面积的破坏。6、 推导分异结晶作用模型 一个包含不同组分总摩尔数为n的有限岩浆房，其中有y摩尔微量元素i(如Ni)。 体系中i的摩尔分数为Xiy/n。 当一种含i的矿物结晶时，如果每个相继晶体内层来不及与残余熔体保持平衡，或由于i在晶体中扩散缓慢，或由于晶体下沉使晶体每个相继内层未能与残余熔体保持平衡。在一个短时间之后，n变为n-dn， y变为y-dy， 此时晶体与熔体中i的摩尔浓度分别为: Xi晶体dy/dn Xi熔体(ydy)/(ndn) (4.11) i为微量元素服从亨利定律， 据分配定律: Xi晶体dy/dnKDXi熔体 (4.12)dy/dn可直接用Xi熔体表示。4.11右边，相对y，dy可忽略不计，相对于n，dn可忽略不计。有: Xi熔体y/n，所以 ynXi熔体上式两边对n微分: dy/dnndXi熔体/dnXi熔体 将4.12代入上式得: KDXi熔体ndXi熔体/dnXi熔体 (4.13) 整理后: dXi熔体(1/n)dn (4.14)如果在结晶过程中KD为常数，对上式在Xi0和Xi熔体之间以及初始熔体量n0和任何时刻n值之间积分，得出分异结晶过程中该微量元素浓度的总体变化: (4.15) (KD1) (4.16) (n/n0)为残余熔体占原始熔体的百分数，以F表示， 1-F反映岩浆的结晶程度， 有： Xi熔体Xi0 F(KD1) (4.17) 7、 假定有一含斜长石50%， 单斜辉石30%， 橄榄石20%的辉长岩源岩经历部分熔融， 用批次熔融模型计算当F=0.05，0.1，0.15，0.2， 0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9时Rb，Sr的Cl/Co，并绘制每种元素的Cl/Covs.F的演化图解。分配系数参考简答题 23中的表。 7.根据下表中给定的sample 1#和sample 2#的稀土元素的数据，计算REE，LREE/HREE， (La/Yb)N和Eu，根据Eu解释Eu异常出现的原因，计算球粒陨石标准化数据并把标准化的数据投入下图中，根据稀土配分图描述sample 1#和sample 2#的稀土地球化学特征及可能反映的岩浆成因。相对于三价REE离子，Eu在斜长石和钾长石中是相容元素，斜长石和钾长石结晶或斜长石在部分熔融残余体中的存在可以在熔体中造成Eu亏损或负异常，即Eu异常主要受长石特别是长英质岩浆的控制。因此由结晶分异长石从长英质熔体中移出，或岩石部分熔融长石保留在源区，都会在熔体中产生Eu负异常；石榴子石，磷灰石，普通角闪石，单斜辉石，紫苏辉石，榍石等在残余体中存在或早期结晶析出均可造成熔体中Eu相对富集或形成Eu正异常。在一火山岩系列中，Eu负异常逐渐增大，表明如果是斜长石作为斑晶，则斜长石不断从熔体中析出是Eu负异常逐渐增加的原因；sample 1#sample 2#C1 ChondriteLa18.533.5940.237Ce49.289.9310.612Pr7.2861.7290.095Nd30.948.3710.467Sm7.5672.6480.153Eu1.9781.3910.058Gd7.8233.1990.2055Tb1.4380.6030.0374Dy8.6863.8690.254Ho1.7760.8480.0566Er52.4170.1655Tm0.7270.3620.0255Yb4.5912.4760.17Lu0.6720.3940.02548.根据下图分别描述部分熔融和